Nanoroboty zbudowane z DNA mogą zrewolucjonizować medycynę
Systemy robotyczne obejmują zasadniczo czujniki i siłowniki, połączone do jednostki przetwarzającej informacje i koordynowane przez nią. Te części, wyprodukowane głównie z metalu i tworzywa sztucznego, są zazwyczaj montowane ze sobą w sposób mechaniczny. Natomiast nowo powstająca dziedzina robotyki opartej na DNA wykorzystuje zdolność biocząsteczek do samoczynnej organizacji w celu budowy systemów robotycznych. „DNA idealnie nadaje się do zastosowania w robotyce, ponieważ można je zaprogramować tak, aby samoczynnie organizowało się w specyficzny i wysoce przewidywalny sposób”, wyjaśnia Kurt Vesterager Gothelf, koordynator wspieranego przez UE projektu DNA-Robotics. W ramach projektu, który podjęto przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, udało się stworzyć wiele podstawowych funkcji robota, takich jak: wyczuwanie, napędzanie, przetwarzanie informacji i ruch. „Udało nam się znacząco posunąć prace badawcze, przybliżając je do skonstruowania funkcjonalnego nanorobota DNA”, mówi Gothelf z Uniwersytetu w Aarhus, będącego gospodarzem projektu.
Łączenie modułów
Do budowy poszczególnych części robotycznych, z których każda miała inne funkcje, zespół DNA-Robotics najpierw próbował wykorzystać sześcienne moduły DNA. Następnie, przy pomocy opracowanego w ramach projektu modelu komputerowego „Polycubes”, dokonano szybkiej oceny tego, jak dobrze można połączyć te części razem, aby stworzyć system robotyczny. „Pokazało to, że choć w teorii zastosowanie sześciennych modułów mogłoby się sprawdzić, to jednak w praktyce, w warunkach laboratoryjnych okazało się to trudne, więc zmieniliśmy model do budowy naszych części robotycznych na taki oparty na stelażu”, dodaje Gothelf. W alternatywnej technice jako rusztowań użyto struktur organicznych wewnątrz błon zwanych pęcherzykami, wokół których zbudowano szereg modułów robotycznych skonstruowanych przez zespół. Obejmowało to wykorzystanie nanoskalowego kabla w rurce, który może posłużyć do przekazywania informacji pomiędzy dwoma punktami w obrębie nanostruktury. „Był to przykład transdukcji sygnału, która jest niezbędna do funkcjonowania robota, przypominając układ nerwowy człowieka wysyłający sygnały do różnych części ciała, aby te wiedziały, jak reagować na zmiany otoczenia”, zauważa Gothelf. Choć nowe podejście sprawdziło się w przypadku pojedynczych modułów, zespół nie był w stanie zastosować go do połączenia ich w funkcjonalny system robotyczny. „Byliśmy zaskoczeni, jak trudno było znaleźć wspólną platformę do integracji. Początkowo naszą inspiracją były makroskalowe roboty modułowe, ale ostatnio przyglądamy się temu, w jaki sposób w naturze poszczególne elementy łączą się poprzez kompartmentację, na przykład w strukturach komórkowych”, wyjaśnia Gothelf. Zespół zbudował również siłownik liniowy o ruchu ograniczonym do jednej osi. Jest to pierwszy krok w drodze do realizacji ambicji, jaką jest opracowanie drukarki molekularnej zdolnej do pełnienia roli katalizatora reakcji chemicznych niezbędnych do tworzenia modułów robotycznych opartych na DNA. Aby kontrolować ten druk molekularny, głowica drukarki musi najpierw poruszać się w jednym wymiarze, a potem drugim.
Zaawansowane zachowania w nanoskali
Zdolność do uzyskania zaawansowanych zachowań robotów w nanoskali niesie ze sobą istotne korzyści dla wielu sektorów, w szczególności medycyny, w zakresie projektowania spersonalizowanych inteligentnych leków, które dostarczają leczenie w odpowiedzi na określone sygnały z ciała. W Uniwersytecie Technicznym w Monachium, będącym partnerem projektu, opracowano strukturę, która może rozpoznawać, a następnie „zamykać” konkretne wirusy, aby je dezaktywować. Inni partnerzy pracują nad stworzeniem robotów DNA zdolnych do wywołania kaskady sygnałów wewnątrzkomórkowych, które powodują śmierć komórek nowotworowych. „Aby utrzymać przewagę Europy nad konkurencją, konieczne jest przeszkolenie przyszłych naukowców w tej dziedzinie. Możemy poszczycić się 14 wysoko wykwalifikowanymi i przygotowanymi do rozwoju tej dziedziny naukowcami na wczesnym etapie kariery”, podsumowuje Gothelf. Zespół projektowy pracuje obecnie nad rozwiązaniem problemu integracji i zapewnieniem bezpieczeństwa struktur robotycznych w ciele człowieka, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji.
Słowa kluczowe
DNA-Robotics, DNA, robot, inteligentne leki, biocząsteczka, drukarka molekularna, nanoskala, pęcherzyk, błony, sygnały, informacja
